巴西MBR粉礦的燒結基礎特性課件

前言：

燒結生產(chǎn)實踐和大量的試驗研究證明，燒結生產(chǎn)的產(chǎn)質量指標與所用粉礦的化學成份，粒度組成，微觀特征（包括礦物類型、結晶顆粒的大小，晶體形貌和脈石賦存狀態(tài)、熱分解特性等）和燒結基礎特性（包括粉礦的同化性、液相流動性、粘結相強度、連晶固結特性等）是分不開的。因此，一種礦物用于燒結生產(chǎn)，應該對其燒結基礎特性作一個全面的測試和研究，以利實現(xiàn)科學合理配礦，本報告將對MBR粉礦的燒結基礎特性作全面介紹。巴西MBR粉礦的燒結基礎特性1.MBR粉礦的化學成份及粒度組成。1.1.MBR粉礦的化學成份（%）原料TFeFeOCaOSiO2Al2O3MgOTiO2K2OKa2OPS燒損MBR粉礦67.647.940.182.550.610.270.140.0170.0050.0220.0220.031.2.MBR粉礦的粒度及粒度組成（%）粒徑范圍(㎜)0.5-0.5～0.28-0.28～0.154-0.154～0.105-0.105～0.074-0.074MBR粉礦1.721.004.503.1518.5371.10

不同種類的鐵礦粉，由于成礦的地質作用不同，在成礦過程中所受的壓力、溫度及環(huán)境等其它因素的影響也不同，故反映在各自的礦物組成和顯微結構上有很大差異。例如，鐵礦粉在成礦過程中所受的溫度較高時，礦物結晶程度高，則鐵礦物的晶粒尺寸就比較大；又如，鐵礦粉在成礦中所受的壓力較高時,鐵礦粉的空隙率小，質地就比較致密。而這些微觀特性方面的差異必然會導致它們在燒結性能上的不同。因此，為了燒結合理配礦，有必要從微觀角度出發(fā)，把握所用鐵礦粉的含鐵礦物類型、晶體形貌、結晶粒度、脈石賦存狀態(tài)等特性。

2.粉礦微觀特性的實驗研究的形式釋放出來，由于不同元素的原子結構不同，電子躍遷的方式和多余能量的大小各異，不同元素所產(chǎn)生的同一線系的X射線的波長就有明顯的差別。不同的波長代表不同的元素，因此稱之為特征X射線。利用元素的特征X射線，可以進行元素的成分分析。掃描電鏡的工作原理是：高能電子束轟擊固體樣品表面時，可以產(chǎn)生被激發(fā)物的二次電子和背散射電子，應用二次電子和背散射電子所表達的信息，可以對被測物質的微觀特征進行測定。二次電子是指高能電子束轟擊在樣品表層原子的電子殼上，將電子層中的電子激發(fā)出樣品表面，這部分逸出樣品表面的電子稱為二次電子。由于樣品的凹凸不平，熒光屏上的電子束對樣品進行步掃描時,各點所激發(fā)的二次電子的數(shù)目不同，這樣就構成了圖像襯度,反映出樣品表面的形貌。掃描電鏡利用二次電子顯示出的樣品圖像叫二次電子像（SEI）。背散射電子是指入射到樣品表面的高能電子樣品接觸時，有一部分電子會幾乎不損失其能量地在樣品表面被散射出去，這部分電子稱為背散射電子，由于低原子序數(shù)的元素反射效率低、高原子序數(shù)的元素反射效率高，背散射電子可構成元素組成的形貌圖像。掃描電鏡利用背散射電子顯示出樣品圖像稱為背散射圖像（QBSD）。由于二次電子具有較高的空間分辨率，因此二次電子像（SEI）的效果比背散射像（QBSD）的效果好。但是，有的樣品的二次電子容易產(chǎn)生放電，使成像質量極差，這時就只能利用背散射電子從而獲得清晰的圖像。能譜儀的工作原理是通過檢測的特征X射線的強度進行元素的定性、定量分析。因為元素的特征X射線不但具有一定的波長，而且有一定的能量；相同元素不僅波長相同，而且能量也相同，不同元素的特征X射線的波長的能量完全不同。利用鋰漂移硅檢測器檢測樣品發(fā)出的特征X射線，經(jīng)過一系列的信號轉化，使特征X射線的能量以譜線的形式顯示在熒光屏上。根據(jù)譜線在不同的能量位置，就可定性地確定所測元素。用求出的相應譜線的強度與標樣強度的比值經(jīng)過校正，即可得到各元素的重量百分比。本實驗研究所使用的X射線衍射分析儀型號為D/MAX-2500；掃描電鏡分析儀及其附屬設備的型號為LEO-435VP2.2實驗結果及分析2.2.1X射線衍射圖2.1MBR粉礦的X射線衍射圖譜。圖中，橫軸為衍射角，縱軸為衍射強度。表2.1給出了MBR粉礦X衍射分析的鐵礦物類型存在狀態(tài)的實驗結果。表2.2給出了MBR粉礦X衍射分析的脈石礦物賦存狀態(tài)的實驗結果。從X射線衍射結果可以看出：MBR粉礦以赤鐵礦為主，含有少量磁鐵礦。需要指出的是：X射線衍射分析僅能對晶體表2.1各種含鐵物料的鐵礦物存在狀態(tài)的X衍射鑒定結果原料鐵礦物類型赤鐵礦He）磁鐵礦（M）針鐵礦（Ge）MBR粉礦多少－－表2.2各種含鐵物料的脈石礦物存在狀態(tài)的X衍射鑒定結果原科脈石賦存狀態(tài)三水鋁(Gib)高嶺石（K）石英（Q）伊利石（I）方解（Cal）MBR粉礦---少少------從X衍射結果可以看出，MBR粉礦含有少量的高嶺石和石英。2.2.2掃描電鏡及能譜分析結果2.2.2.1鐵礦粉微觀形貌掃描電鏡的放大倍率是根據(jù)能夠反映所要求的目的來確定的。MBR粉礦的粒度較為細小，低倍率（100×）的照片基本無法反映出晶粒的形貌，只能反映出粒度分布的狀況，因此采用中倍率（約1000×）以上的倍率。相對較高的倍率（1500×左右）是查找具有典型特征的部分，以便于選擇高倍率觀測的區(qū)域；高倍率（大于5000×）下主要計算鐵礦粉的空隙率、晶粒直徑與形狀等。根據(jù)以上運用掃描電鏡（SEM）分析方法對MBR粉礦顯微結構進行的鑒定結果，表2.3給出了其鐵礦物晶粒大小、孔隙度以及晶體形貌的描述。各種含鐵物料的掃描電鏡分析微觀形貌實驗結果如照片2.1～照片2.2所示。表2.3各種含鐵物料的微觀特征歸納表原料鐵礦粉中鐵礦物結晶粒度分布(%)平均粒徑(μｍ)孔隙率（%）晶體形貌超細＜10μm細10-30μm中30-110μｍ粗110-120μｍMBR粉礦325315---14.13.5致密/層狀照片2.2MBR粉礦高倍率（15000×）形貌圖2.2.2.2鐵礦粉中脈石礦物賦存狀態(tài)分析用X射線衍射分析法對鐵礦石中的脈石礦物進行物相鑒定時，如果試樣中的被測物相的含量比較小，則其衍射峰可能被其它物相的衍射峰所掩蓋；另外某些非晶體或者結晶很不完全的晶體由于不對X射線進行衍射或者衍射強度很弱甚至發(fā)生畸變，都不能對其進行有效分析掃描電鏡可以對礦石表面的某一點進行分析，直接找出該點的元素種類和相對數(shù)量，由于查找范圍很小，因而具有很高靈敏度，可以將X衍射分析中因整體含量少而衍射峰很低的某些組分顯示出來，從這一點來看，它比X衍射分析更加詳細。為此，我們采用掃描電鏡及能譜分析方法對MBR粉礦中脈石賦存狀態(tài)進行了深入考證。MBR粉礦的脈石賦存狀態(tài)的掃描電鏡分析結果如表2.4所示。MBR粉礦的脈石賦存狀態(tài)的掃描電鏡照片如照片2.3～照片2.5所示，相應的能譜分析如圖2.2～圖2.4所示，成分分析結果如表2.5～表2.7所示。表2.4MBR粉礦的脈石賦存狀態(tài)的掃描電鏡分析結果原料脈石賦存狀態(tài)三水鋁(Gib)高嶺石(K)石英（Q）鈉長石(Na-F)方解石（Cal）伊/蒙混層（S）其他脈石MBR粉礦有---有------有---圖2.2MBR粉礦的石英（Q）能譜圖表2.5MBR粉礦的石英（Q）脈石分析脈石成分SiO2Al2Ol3含量（%）76.980.64照片2.4MBR粉礦的伊蒙混層（I/S）賦存狀態(tài)圖圖2.3MBR粉礦的伊蒙混層（I/S）能譜圖表2.6MBR粉礦的伊蒙混層（I/S）脈石分析脈石成分SiO2Al2O3MgOK2ONa2OCaO含量（%）24.2111.468.404.940.670.49圖2.4MBR粉礦的三水鋁（Gib）能譜圖表2.7MBR粉礦的三水鋁（Gib）脈石分析脈石成分SiO2Al2O3含量（%）3.1056.932.2.3脈石礦物的綜合分析根據(jù)上述基于掃描電鏡加能譜分析的鐵礦粉脈石賦存狀態(tài)考察結果,并與X衍射分析得到的結果相結合,可以得到MBR粉礦脈石賦存狀態(tài)的最終綜合分析結果如表2.8所示。表2.8MBR粉礦的脈石賦存狀態(tài)的綜合分析結果原料脈石賦存狀態(tài)三水鋁(Gib)高嶺石（K）石英（Q）鈉長石(Na-F)方解石(Cal)伊/蒙混層（S）其他微量脈石MBR粉礦微量少少－－－－一般來說，鐵礦粉中的脈石礦物主要是SiO2和Al2O3，同時還可能含有其它微量的Ca、Mg、Mn、P等元素的氧化物。SiO2在鐵礦粉中的存在狀態(tài)主要有游離態(tài)（石英）和結合態(tài)（粘土）兩種，Al2O3的存在狀態(tài)則主要有三水鋁石、粘土、硬水鋁石等幾種。鐵礦粉中的脈石礦物賦存狀態(tài)對于其冶金性能有一定的影響。例如：如果鐵礦粉中的Al2O3以粘土（鋁硅酸鹽）而不是以三水鋁礦的形式存在，則其RDI可明顯改善；如果鐵礦粉中的SiO2以游離態(tài)石英而不是以粘土的形式存在，則其可以改善RI。鐵礦粉中脈石賦存狀態(tài)的差異也是造成其在燒結過程中呈現(xiàn)不同作用和行為的重要原因之一。由X射線衍射和掃描電鏡分析結果，結合鐵礦粉的化學成分，可以對MBR鐵礦粉中的脈石礦物（主要是Al2O3和SiO2）存在狀態(tài)作出如下鑒定。分析儀上進行，實驗裝置見照片3.1。具體實驗步驟為：將實驗用的鐵礦粉在110℃的烘箱內24h烘干后，磨成小于100目的粉狀：用精確到萬分之一的ER－180A型電子天平稱重，取規(guī)定試樣量的鐵礦粉，放入實驗專用的坩堝中，并將坩堝放入差熱天平一臂上方的樣品座中；設置各項實驗參數(shù)，選取升溫速度為20℃/min，最高溫度為900℃，啟動升溫程序，開始實驗。整個實驗過程的控溫和數(shù)據(jù)采集均由計算機來完成。通過實驗測定各種鐵礦粉試樣在升溫過程中失重量、熱分解反應的開始溫度、熱分解反應的終了溫度等參數(shù)，然后依據(jù)理論分析獲得被測鐵礦粉的水化程度和熱分解特征。鐵礦粉試樣的熱分解失重率可以通過定義如下計算公式得出。照片3.1德國耐馳公司STA409－QMS高溫熱分析儀對于高品位，低碳酸鹽脈石的鐵礦粉而言，熱分解特性主要是由其所含結晶水而形成的。MBR粉礦所含結晶水微量，因此其幾乎沒有熱分解特性。鐵礦粉含結晶水有三種類型，其中與脈石結合的結晶水，分解溫度比較高，對燒結過程有較大的影響，特別是結晶水以三水鋁石形態(tài)存在時，會對燒結礦的固結強度和低溫還原粉化均有負面影響。對MBR粉礦來說，這種負面影響幾乎完全沒有。一般而言，粉礦的結晶水含量高，有利于礦粉在燒結過程的同化。由于結晶水在燒結過程中發(fā)生分解，使礦粉內部氣孔率增加，從而增大反應面積，有利于CaO與Fe2O3的反應，有利于鐵酸鈣礦物相的生成。同時結晶水含量高的礦粉具有較高的液相流動性,從而有利于燒結過程粘結相的形成。這些是含結晶水粉礦有利于燒結的一面。在燒結過程中，不是液相流動性越大越好，也就是結晶水含量不是越高越好，中等水化程度的粉礦有利于燒結反應性。4MBR粉礦燒結基礎特性的實驗研究根據(jù)項目技術協(xié)議書的要求，本實驗主要針對含鐵原料進行同化特性、液相流動特性、粘結相自身強度、連晶固結強度的實驗研究。4.1實驗方法本實驗采用微型燒結法進行。所用的主要設備包括自行設計制作的微型燒結裝置、壓樣裝置和抗壓強度檢測裝置等，如圖4.1～圖4.3所示。1－石英管，2－熱電偶，3－試樣臺及升降裝置，4－溫控儀電流表，5－溫控儀顯示器，6－溫控儀設置鍵，7－溫度表，8－氣體流量表及調節(jié)旋鈕，9－升降裝置速率表及調節(jié)旋鈕，10－氣體轉換開關，11－電源開關，12－升降裝置開關，13－紅外線快速高溫爐圖4.1微型燒結實驗裝置1－模具頂蓋，2－壓樣模，3－恢復彈簧和模具壓桿，4－油壓千斤頂，5－千斤頂壓桿，6－壓力表

圖4.2試樣制作裝置1－數(shù)字顯示面板，2－鎖定/釋放按鈕，3－壓力傳感器，4－試樣臺，5－加壓按鈕，6－卸壓按鈕圖4.3抗壓強度檢測裝置4.2鐵礦粉的同化性能的實驗研究4.2.1概述高堿度燒結礦因其優(yōu)良的冶金性能得以廣泛應用。高堿度燒結礦在燒結過程中的主要礦物組成――復合鐵酸鈣(SFCA)的形成，始于CaO和Fe2O3的物理化學反應。另外,燒結過程的液相生成也是始于CaO與鐵礦粉的固相反應生成的低熔點化合物。因此，鐵礦粉與CaO的反應能力――同化性能成為考察鐵礦粉的燒結基礎特性的一項非常重要的指標。如果鐵礦粉與CaO的反應能力過弱，則一方面意味著不易生成低熔點的液相，從而不利于鐵礦粉的液相粘結，導致燒結礦強度的下降；另一方面也因為復合鐵酸鈣的形成能力過低，從而影響燒結礦還原性的改善。但是，基于非均質燒結礦的特征的考慮，鐵礦粉與CaO的反應能力也不宜過強，否則在燒結過程中會引起大量液相的快速形成，導致起固結骨架作用的核鐵礦粉減少以及燒結層透氣性惡化，從而影響燒結礦的產(chǎn)量和質量。由此可見，鐵礦粉的同化性能，對燒結礦的質量乃至整個燒結工藝過程均具有非常重要的影響。4.2.2實驗研究方法本研究認為，表征鐵礦粉同化性能的指標是鐵礦粉與CaO反應的能力。根據(jù)物理化學的理論可知，一個反應進行的難易程度，可以通過反應所需的溫度以及反應物（或生成物）的變化來衡量。因此，首先可通過測定鐵礦粉與CaO接觸面上發(fā)生反應而開始熔化的“最低同化溫度”來評價鐵礦粉與CaO的反應能力。由于實際燒結過程的溫度是一定的，鐵礦粉的“最低同化溫度”越低，則表明這種鐵礦粉的液相生成越容易。4.2.3實驗結果及分析采用本方法測出MBR粉礦的最低同化溫度為1323℃,說明MBR粉礦的同化溫度比較高，因此在燒結配礦時應考慮其與同化溫度較低的粉礦搭配使用。4.3鐵礦粉的液相流動特性的測定4.3.1概述高堿度燒結礦的粘結相的生成，主要是通過鐵礦粉與熔劑的反應。因此，鐵礦粉與CaO的同化能力是考察燒結粘結相量的重要指標。但是，鐵礦粉的同化特性只是反映了其低熔點液相的生成能力，并不能完全反映出有效粘結相的數(shù)量。因為一種物質的“熔化”并不代表其一定就會“流動”。例如:玻璃的熔化溫度為1720℃,但此時的粘度卻高達2.9×106泊。對于燒結礦的固結而言，除了需要有低熔點液相的產(chǎn)生(與鐵礦粉的同化能力有關)，而且更需要有能粘結周圍未熔鐵礦粉的“有效液相”（與鐵礦粉的液相流動能力有關）。因而，對燒結礦固結有實際意義的還應該包括鐵礦粉的液相流動特性，即鐵礦粉與CaO生成的粘結相的流動特性。我們已有的研究結果表明：燒結液相的流動性較高時，因其粘結周圍未熔物料的范圍較大，因而可提高燒結礦的固結強度。但是，粘結相的流動性也不可過大，否則會因為粘結層厚度的減薄以及形成薄壁大孔結構，反而使燒結礦整體變脆，強度降低。當燒結液相生成量和粘度適宜時，這種粘結相可使燒結礦形成微孔海綿狀結構的有效固結，從而獲得高質量的燒結礦。因此，適宜的液相流動性才是確保燒結礦有效固結的基礎。4.3.2實驗研究方法本實驗采用已開發(fā)的“基于流動面積的粘度測定法”。即：將要考察的試樣壓制成小餅，然后根據(jù)實驗條件在高溫下焙燒；隨著溫度的逐漸升高，試樣開始形成低熔點化合物；當燒結溫度達到該化合物的熔化溫度時試樣逐漸癱軟，液相開始生成；隨著溫度的繼續(xù)升高，過熱度增大，液相逐漸呈流動狀態(tài)，試樣的垂直投影面積變大；試驗結束后取出冷卻了的小餅試樣，根據(jù)試樣流動后的面積來確定其流動性。為了便于比較各種鐵礦粉液相流動特性的大小,定義流動性指數(shù)為：在本實驗中，考慮低溫燒結原則，實驗溫度選取在1250℃左右。另外，根據(jù)高堿度燒結礦對粘附粉的堿度要求及考慮物料偏析的影響，二元堿度選取范圍為3.0～6.0。首先在相同二元堿度(4.0）和相同燒結溫度（1250℃）下，測定MBR粉礦的液相流動特征。其次，實驗研究含鐵原料液相流動特性隨二元堿度變化的規(guī)律。在實驗溫度1250℃條件下，根據(jù)二元堿度4.0時的含鐵原料液相流動特性的特征，選擇二元堿度變化區(qū)間。若流動性適中，則在此堿度上、下變化兩個堿度水平。若流動性較強，則降低堿度后變化兩個堿度水平；反之，則升高堿度后變化兩個堿度水平。再者,根據(jù)含鐵原料在1250℃下的液相流動特性的特征,選擇溫度變化區(qū)間，來考察溫度對鐵礦粉液相流動特性的影響。若流動性適中，則在此溫度上、下變化兩個溫度水平。若流動性較強，則降低溫度后變化兩個溫度水平；反之，則升高溫度后變化兩個溫度水平。4.3.3實驗結果及分析表4.1MBR粉礦液相流動性指數(shù)實驗結果原料液相流動特性指數(shù)溫度（℃）R2＝4.0R2＝5.0R2＝6.0MBR粉礦12500.0150.2160.36912800.043

13100.056

根據(jù)綜合不同條件的實驗結果可知，MBR粉礦的燒結液相流動性比較低。在實驗中進行了變化溫度對液相流動性的影響，其結果列于表4.2，可見其是減速上升的變化規(guī)律。表4.2MBR粉礦在R2＝4時液相流動性隨溫度的變化規(guī)律原料1250℃1280℃1310℃第一段第二段比值變化規(guī)律MBR粉礦0.0140.0440.0570.0300.0130.433減速上升MBR粉礦幾乎不含結晶水，同化性很弱，且SiO2含量很低，導致其燒結液相流動性較低，在本實驗條件下，通過改變溫度、堿度的效果不明顯。在燒結的配礦過程中，液相流動性低的礦粉配入量較大

時，會影響燒結礦的固結；而過多配入液相流動性高的礦粉時轉鼓強度也會降低。應當根據(jù)實際情況，選擇合適的燒結液相流動性。為此，需要基于含鐵原料的液相流動性及其對溫度和堿度的敏感性，進行搭配使用。4.4鐵礦粉的粘結相自身強度的測定4.4.1概述燒結礦是由粘結相（熔化物）粘結未熔的粗粒鐵礦粉固結而成。在燒結過程中，隨著溫度的升高，燒結物料中的粘附粉顆粒熔化產(chǎn)生液相并流動，將大顆粒的未熔化核鐵礦粉包裹,并填充了核鐵礦粉顆粒之間的孔隙，這些粘結液相在冷凝固結后使燒結體獲得強度。因而粘結相以及未熔核鐵礦粉的自身強度對燒結礦強度有重要的作用。由于核鐵礦粉的自身強度要高于粘結相自身強度，故粘結相的自身強度就成為制約燒結礦強度的關鍵因素。當粘結相自身強度較差時,即使未熔核鐵礦粉的自身強度較高，裂紋也會最先從粘結相中產(chǎn)生并擴展，導致燒結體破裂。相反，自身強度較高的粘結相可以產(chǎn)生牢固的粘結作用，提高燒結體的固結強度。

通過對粘結相自身強度影響因素的深入探討可知：礦物組成和微觀結構的差異是導致粘結相自身強度不同的主要影響因素；而影響粘結相礦物組成和微觀結構的主要因素則是組成粘附粉的鐵礦粉種類以及堿度。因此，有必要研究鐵礦粉作為粘附粉時的粘結相強度，以及粘結相自身強度隨其堿度的變化特征。我們已有的研究結果表明：不同種類的鐵礦粉可生成不同的礦相組成和結構的粘結相，這種不同是影響燒結礦強度的重要因素之一，即鐵礦粉自身特性中存在影響粘結相強度乃至燒結礦強度的特性。顯然，把握所用鐵礦粉的粘結相自身強度特性對獲取固結強度良好的燒結礦是非常有益的。4.4.2實驗研究方法本實驗采用微型燒結法，測定粘附粉試樣小餅燒結后的抗壓強度，以此評價鐵礦粉粘結相自身強度。試樣的抗壓強度定義為：單個燒成后試樣小餅壓潰時所承受的最小壓力，即量綱為：牛頓/試樣。在本實驗中，考慮低溫燒結的原則，實驗溫度選取為1250℃。首先，在相同的二元堿度條件下，測定和比較鐵礦粉的粘結相自身強度；其次，對鐵礦粉按不同堿度調配成粘附粉，測定其粘結相自身強度隨二元堿度的變化規(guī)律。4.4.3實驗結果及分析MBR粉礦的粘結相自身強度實驗數(shù)據(jù)記錄列于表4.3，MBR粉礦的粘結相自身強度隨二元堿度的變化情況列于圖4.4。表4.3MBR粉礦的粘結相自身強度測定數(shù)據(jù)表原料二元堿度（CaO/SiO2）R2＝1.8R2＝2.0R2＝2.2MBR粉礦421470352單位：N/試樣圖4.4MBR粉礦的粘結相自身強度隨堿度的變化規(guī)律由試驗結果可見，MBR粉礦具有一定的粘結相自身強度，其有隨二元堿度的提高呈現(xiàn)下降趨勢。礦粉的同化性不是越高越好，也不是越低越好，液相流動性不是越大越好，也不是越小越好，都希望要有合適的程度,而礦粉的粘結相自身強度則不同,要求其越高越好。礦粉的粘結相自身強度低的，燒結生產(chǎn)的配加量就要受到限制，否則燒結礦的強度就會降低，為了改善燒結礦的強度，要求所配用礦粉應具有足夠的粘結相自身強度。4.5MBR礦粉的連晶固結特性的測定4.5.1概述通常認為鐵礦粉燒結是渣相固結，靠發(fā)展液相來產(chǎn)生固結。但在實際燒結過程中，物料化學成分和熱源的偏析是不可避免的，從而導致在某些區(qū)域CaO、FeO含量很少，不足以產(chǎn)生鐵